光學薄膜研究與設計(已修改)

　

【正文】 編號： 畢 業 論 文題 目： 光學薄膜的研究與設計 院 （系）： 電子工程與自動化學院 專 業： 光信息科學與技術 學生姓名： 鄧春山 學 號： 0800830307 指導教師： 張麗娟 職 稱： 講 師 √題目類型： 理論研究 實驗研究 工程設計 工程技術研究 軟件開發2012年5月 18日 桂林電子科技大學畢業設計（論文）報告用紙 第 III 頁 共 44 頁 摘 要，單層金屬膜的特性已能滿足常用的要求，但隨著激光應用的日趨廣泛，多層介質薄膜較單層金屬膜而言，體現出更好的光學特性。其在光學系統中的發揮著越來越重要的作用。例如：提高光學效率減少雜光；實現光束的調整或再分配；通過波長的選擇性透過提高系統信噪比；實現某些特定功能，如ITO透明導電膜保護膜等。本文首先介紹了全反射膜的應用、現狀及前景；然后介紹了薄膜光學特性計算的理論以及模擬退火法的理論；接著根據薄膜模型與理論用Matlab編出計算反射率程序；然后反演搜索出合適的薄膜參數；最后從理論上設計了一種適用于整個可見光入射角在080176。范圍的增透膜（透射率在100%以上）并結合實際設計多層增透膜。關鍵詞：光學薄膜；反射率；模擬退火法；MatlabAbstractOptical thin film plays an important role in the modern optical instruments. As for optical instruments, the single metallic membrance property has already met the requirements of the monly used, however, with the widely used of laser, multilayer medium film shows better optical properties than the single metal film, so that it plays a more and more important role in the optical system. For example, improve the efficiency to reduce stray light。 realize the adjustment and redistribution of the light beam。 improve the system signaltonoise ratio (SNR) through the selective transmission of wavelength。 achieve some particular functions, such as protective film of the ITO transparent conducting films etc.In this paper the application、present situation and prospect of the total reflection film were introduced firstly。 the optical properties calculation of thin film theory and simulated annealing method theory were introduced secondly。 then using the Matlab to program the reflectivity according to the film model and theory。 and then inverse search out the appropriate film parameters。 finally, theoretically design a antireflection film which is appropriate for the entire visible light in the angle range of 080176。 (transmission rate up to 100%) And design multilayer antireflection film bined with the actual.Keywords: Optical thin film, reflectivity, simulated annealing method, Matlab.目 錄1 緒論 1 光學薄膜的發展歷史 1 光學薄膜的現狀與前景 2 本文的主要內容 32 光學薄膜相關理論 4 單一界面上的反射和透射 4 多層介質中的反射和透射——薄膜光學基礎 83 模擬退火優化算法 11 11 11 11 13 模擬退火算法 13 14—限定非優次數 16—并行算法 174 光學薄膜的設計 19 設計方案 19 光學薄膜的模型 19 19 20 薄膜反射率的計算 21（RTCM） 21 23 計算方法分析 25 單層增透膜參數優化 25 26 模擬退火法 28 兩種方法比較 30 多層增透膜優化設計 30 雙材料嵌套增透膜的設計 335 結 論 36謝 辭 37參考文獻 38附 錄 381 RTCM 算法反射率程序 392 菲涅爾系數遞推法反射率程序 413 反射率與入射波長及入射角度程序 434 畫圖法程序 43 桂林電子科技大學畢業設計（論文）報告用紙 第45頁 共42頁 1 緒論人類生活在光的世界里，光是一種人們無時無刻不遇到的自然現象。更為重要的是：光是信息的重要載體，研究光的本性及其傳播規律的學科就是光學。 和光打交道，離不開光學薄膜， 薄膜光學是現代光學必不可少的基礎技術，它是物理光學的一個重要分支。——專項技術。另一方面，由于光學薄膜的制備過程與真空技術、表面物理、材料科學、等離子體技術等等密切相關，所以光學薄膜又可以稱得上是一門——綜合學科。近年來，光學薄膜技術隨著現代科學技術的發展而迅速發展，特別是計算機技術給薄膜理論分析帶來巨大方便。薄膜光學通過近幾十年的發展，在以下方面都有了長足的進步：，包括制備方法以及控制手段 但是，仍存在許多困難。 “我們這些在薄膜領域工作的人，在鍍膜工藝曾經有過較多的一時難以解釋的失敗和教訓，這些失敗往往涉及已經充分研究過的、在一段時間內行之有效的技術……對于諸如此類的困難，除了抱怨天氣之外，往往以運氣不佳為理由，人們甚至能在鍍膜車間看到祈求好運的符標。” 麥克勞德光學薄膜這門學科已成為現代光學不可缺少的一個重要組成部分，沒有光學薄膜，許多現代光學裝置便無法發揮效能，失去作用，無論在提高或降低反射率、吸收率與透射率方面，在使光束分開或合并方面，或者在分色方面，在使光束偏振或檢偏方面，以及在使某光譜帶通過或阻滯方面，在調整位相方面等等，光學薄膜均起著至關重要的作用。 總之，薄膜在許多場合都扮演關鍵角色。薄膜器件的輕巧靈便、穩定給它帶來更廣闊的應用 ：窄帶濾光片——光柵單色儀 光學薄膜的發展歷史人類最早發現的五光十色的肥皂泡，水面上彩色斑爛的油膜，兩玻璃片間的空氣層中常呈現出色彩鮮艷的光環，所有這些現象早在十七世紀就引起了許多自然科學家的注意，他們各自都提出了一些初步解釋，但均不令人滿意 ，直到一百五十年以后，上述現象才徹底為人們弄清，物理光學的基礎才從此建立起來．今天我們可以說，整部薄膜光學的物理依據就是光的干涉。 夫瑯和費早在1827年制成了可以說是第一批減反射膜，他將經過精細地拋光的平面玻璃一半放在濃硫酸或濃硝酸中腐蝕。將玻璃上的酸液清洗干凈之后發現，經酸腐蝕的表面所反射的光強遠低于另一半表面的反射光強，即酸經過的那部分玻璃表面失掉了某種成分，形成薄薄一層折射率比玻璃基底折射率低的失澤層，不過玻璃還未遭刻蝕，“因為其適時光仍和另一半表面一樣(實際上更高)，以致在透射光中仔細檢查也不能找出它們的分界線來，”經過硫酸或硝酸的這種處理之后，有些牌號的玻璃表面呈現美麗鮮艷的色彩；使光沿各種不同的角度入射，則色彩婉如肥皂泡一樣變幻無窮。1886年瑞利在英國皇家協會報告說：“失澤”的冕玻璃平板，其反射比剛拋光更低原因是玻璃形成了薄薄的一層膜。（Dennis Taylor）在它的文章中寫到，在使用幾年后的普通物鏡的火石玻璃透鏡上“失澤”現象是十分明顯的。我們很高興的是，能夠使這種火石玻璃的擁有者放心，通常用懷疑眼光看待的這層使玻璃“失澤”的薄膜，卻正是觀測者的“摯友”，因為它增加了物鏡的透射率。事實上，泰勒發展了一種用化學侵蝕產生“失澤”而制作化學減反膜的方法。 目前制備光學應用的薄膜的主要方法是真空蒸發法和濺射法，后者在十九世紀中葉就發現了，而前者可追朔到二十世紀初。但在1930年以前，它們不能作為實用的鍍膜方法，因為沒有獲得高真空的真正適用的抽氣機，直到1930年出現了油擴散泵—機械泵抽氣系統以后，制造實用的真空鍍膜機才成為可能。 三十年代中期德國的鮑爾和美國的斯特朗先后用真空蒸發方法制備了單層減反射膜，這種簡單的減反射膜至今在一般的光學裝置上還被大量地應用。 光學薄膜的現狀與前景光學薄膜的現狀：科學技術的發展正在改變傳統的光學薄膜的面貌，傳統的光學薄膜是以光的干涉為基礎的，并以此來設計和制備增透膜，高反膜，濾光膜，分光膜，偏振及消振膜，光學薄膜覆蓋的光譜范圍也從可見光區拓展到遠紅外和軟X射線區, 光學薄膜的制備技術也有傳統的真空蒸發發展到現在的物理，化學方法鍍膜，如激光沉淀技術，離子束沉淀技術等。現代的科學技術特別是激光技術和信息光學的發展，光學薄膜不僅用于純光學器件，光通信器件上也得到廣泛的應用。尤其是近代信息光學，光電子技術及光子技術的發展，對光學薄膜產品的長壽命，高可靠性及高強度的要求越來越高，從而發展出一系列新型光學薄膜及其制備技術，并為解決光學薄膜產業化面臨的問題如“鍍膜技術能否有效地應用到生產中去”，“光學薄膜生產中需要解決的主要技術問題是什么”，以及“如何解決薄膜的高技術與高成本之間的矛盾”等提供全面的解決方案。光學薄膜的前景：綜合國內外光學及光學薄膜的研究現狀，光學薄膜的研究呈現以下幾個發展趨勢：1 繼續重視對傳統光學儀器用光學薄膜的研究和開發，提高薄膜的光學質量，研究大面積鍍膜技術及其應用：2 開發與新型精密光學儀器及光電子器件要求相適應的光學薄膜及其材料的制備方法，以滿足現代光學，空間技術，軍事技術和全光網絡技術日益迫切的需要；3開發極端光譜條件下的光學薄膜，如超窄帶密集型波分復用濾波片，軟X射線膜，高功率激光膜等制備技術；4開發與環境保護息息相關的“綠色光學薄膜”，實現光能與人類健康需要的相互協調；5研究光學薄膜的材料物理，成膜過程的原位觀察，實現鍍膜過程的自動控制和超快速低溫鍍膜。 本文的主要內容第一部分簡單的介紹了光學薄膜的研究歷史，光學薄膜的應用及其現狀和前景；第二部分敘述了光學薄膜的理論；第三部分介紹了模擬退火優化算法理論；第四部分闡述了光學薄膜的設計；最后第五部分是對本文的總結。2 光學薄膜相關理論將逐步引入電磁波的反射系數、透射系數、反射率、透射率、s偏振模式、p偏振模式的概念，以及穩定計算反射系數、透射系數和振幅系數的遞推算法。本章的某些重要公式和處理方法，也是薄膜光學和光纖光柵的基礎。在薄膜光學中，光學薄膜系是由許多不同均勻介質層水平堆積而成的。在光纖光柵中，介質常數則沿軸向成某種周期的連續分布，也可看成是無限薄的多分層周期介質。研究這類一維分層不均勻介質中的場是本章的主題。 單一界面上的反射和透射設平面電磁波入射到的平面分界面上，入射面為平面，入射波的波長為，入射、反射、透射的角度和波矢量分別用、來表示，令，，則入射、反射和透射波矢量可表示成 ()入射波、反射波和透射波可表示成 () 2